CN109579575B - 分形通道印刷电路板换热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分形通道印刷电路板换热器。本发明PCHE通过进、出口封头内布置的分布器和收集器具有三维逐层扩散型分形树状通道网络的换热流体通道，与构成换热器芯体的各个换热板上分形树状换热流体通道进出口匹配连接，冷、热流体在换热器芯体内经历大尺寸主干通道到微尺度分支末端通道多尺度流动、与换热板对流换热和换热板内热量传递等仿生的复杂流动和热量传递过程，不仅通过产生协同的均衡稳定速度分布、温度分布和换热板内均匀温度分布，实现换热介质流通阻力小、换热效率高和换热板内无热应力的特性；而且，分叉结构可以有效地消除驱动力产生的流动压力脉动振动和抑制液体的流通空化现象。

Description

分形通道印刷电路板换热器

技术领域

本发明涉及换热器技术领域，涉及印刷电路板式换热器，具体涉及一种分形通道印刷电路板换热器。

背景技术

仿生学经常能为新设备的开发和结构优化提供有益启示。人体呼吸系统就是一个高效传热传质系统，它由宏观尺度气管和支气管开始不断分叉到细胞尺度终末细支气管管网结构构成。类似的还有自然界中广泛存在的植物躯干、叶片脉络、哺乳动物血液循环系统和河流流道等网络体系结构，都构成了流阻、传热和传质最优的流体输运空间网络结构，这种从高到低逐层分叉的相似网络结构在分形(Fractal)理论中被称作分形树状通道结构。应用分形树状通道结构理论指导新型换热设备设计，可以开发研制出结构紧凑、换热板温度分布均匀、低流通阻力、消除流体压力脉动、抑制液体流体空化生成和高换热效率新型换热装置。

印刷电路板式换热器(Printed Circuit Heat Exchanger,PCHE)是采用光电化学刻蚀工艺在金属换热板上形成流体通道，换热板之间通过叠置扩散焊接黏合组装成整体换热器芯体新型换热器，具有换热板通道布置灵活、结构紧凑、体积小、换热效率高和高温高压适应性强等优点。另外，PCHE换热介质流通通道嵌入到换热板内，换热板之间应用扩散焊接黏合组装成整体换热芯体，内部流动和换热不会生成传统换热设备的旋涡脱落、湍流抖振、流体弹性不稳定和声振荡等流体诱导振动生成机理，有效地降低蒸汽动力系统运行噪音。所以，PCHE在舰船蒸汽动力系统、核电、太阳能光热发电和燃料电池等领域具有潜在的应用前景。

目前，PCHE通道截面尺寸小，容易产生通道阻塞、流体压力脉动振动、进出口封头流体冲击换热板产生流阻和振动、流体在各通道内分配不均、换热板出现热斑产生热应力等技术问题，这些技术问题直接影响了PCHE在舰船蒸汽动力系统及其他工业领域中的推广应用。本发明针对目前PCHE在舰船蒸汽动力系统应用推广过程中存在的技术问题，拟将仿生分形理论应用于PCHE中，在换热板上构建分形树状网络通道，在进、出口封头内布置分形树状结构的分布器和收集器，力图开发研制具有分形树状流通管网的新型PCHE。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种分形通道印刷电路板换热器。本发明基于仿生分形理论，利用构建树状网络通道，设计出具有分形树状通道网络结构分布器、收集器和换热板的低流通阻力、低噪声和高换热效率的新型PCHE，同时本发明PCHE在保证低流通阻力和高换热效率的前提下，通过分形树状分叉结构，还可以消除输运泵引发的通道内流体脉动噪音,通过抑制通道内空化生成来控制汽蚀噪音。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

分形通道印刷电路板换热器，包括进口封头、换热器芯体和出口封头，进口封头和出口风头出分别与换热器芯体紧固连接，进口封头内布置流体分布器，出口封头内布置流体收集器，进口封头采用分布器与换热器芯体换热板的换热流体进口通道连接，出口封头采用收集器与换热器芯体换热板的换热流体通道出口连接，分布器和收集器内换热流体通道呈三维分形树状结构的通道网络，与换热器芯体内换热流体通道的进、出口匹配，用于均匀分配和收集换热器芯体上微通道束进出的换热流体。

进一步地，所述的分布器和收集器由若干块布置各级换热流体通道金属板层叠扩散焊接一起构成；每一层金属板上布置的换热流体通道，呈由主干到分支逐级分散的三维分形树状结构；多层金属板由上至下，上一层金属板上的三维分形树状结构的换热流体通道分支末级通道，与下一层金属板上的三维分形树状结构的换热流体通道起始级即第一级通道贯通，在分布器和收集器内形成逐层扩散的分形树状结构通道网络。

进一步地，所述的三维分形树状结构的通道网络在金属板上刻蚀形成。

进一步地，所述的换热器芯体内换热流体通道呈三维分形树状结构的通道网络，且热流体与冷流体流动方向呈十字交错流通。

进一步地，所述的构成换热芯体的各个换热板上的换热流体通道呈二维分形树状结构。

进一步地，所述的二维分形树状结构通道通过在换热板上刻蚀形成。

进一步地，所述的换热器芯体结构形式采用扩散焊接一起的三明治结构形式，冷流体换热板、热流体换热板相间叠加，相邻热流体换热板上二维分形树状结构通道的末级换热流体通道，贯穿中间冷换热板通道连通，相邻两块冷换热板上二维分形树状结构通道的末级换热流体通道以同样方式构成末级通道连通，且热流体与冷流体流动方向呈十字交错流通。

进一步地，在层叠的四块换热板上构建冷、热换热板各双层的换热芯体，所述换热板上的换热流体通道为二维矩形通道树状网络结构，换热板第一级通道末端分叉为两支下级通道即第二级通道，第二级通道末端继续分叉为两支下级通道即三级通道，如此分叉至末级通道，在末级通道末端通过贯穿相邻不同属性换热板的通道，与同属性换热板上的二维矩形通道树状网络结构的换热流体通道末级通道连通，构成一个双层分形树状通道网络结构的换热器芯体。

进一步地，所述的换热器芯体内，能够设置多个冷、热流体流动方向呈十字交错流通的三维分形树状结构的通道网络单元。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明基于仿生分形理论，利用构建树状网络通道，设计出具有三维分形树状通道网络结构分布器和收集器的新型PCHE，且PCHE的换热器芯体内换热流体通道也呈三维分形树状结构的通道网络，热流体与冷流体流动方向呈十字交错流通。本发明PCHE通过进、出口封头内布置的分布器和收集器具有三维逐层扩散型分形树状通道网络的换热流体通道，与构成换热器芯体的各个换热板上分形树状换热流体通道进出口匹配连接，冷、热流体在换热器芯体内经历大尺寸主干通道到微尺度分支末端通道多尺度流动、与换热板对流换热和换热板内热量传递等仿生的复杂流动和热量传递过程，不仅类似于支气管在肺组织中或血管在肌肉组织中的气体和血液流动、扩散和传递热量，通过产生协同的均衡稳定速度分布、温度分布和换热板内均匀温度分布，实现换热介质流通阻力小、换热效率高和换热板内无热应力的特性。而且，流体输运过程，也类似于哺乳动物由心脏脉动压力驱动的血液循环系统，分叉结构可以有效地消除驱动力产生的流动压力脉动振动和抑制液体的流通空化现象。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1中的分形通道印刷电路板换热器的结构示意图；

图中：1、换热器芯体，2、冷流体入口，3、分布器，4、热流体入口，5、冷流体出口，6、收集器，7、热流体出口；

图2是图1中冷流体入口的分布器的结构示意图，其中：图2(a)是逐层扩散的分形树状结构通道网络的分布器的结构示意图，图2(b)是图2(a)中两层金属板及其上分形树状结构通道网络结构示意图；图2(c)是图2(b)中分形树状结构通道网络结构示意图；

图中：31、金属板，32、分形树状通道，301、第一级通道，302、第二级通道，303、第三级通道，304、第四级通道，305、第四级通道出口；

图3是图1中换热器芯体结构示意图，其中：图3(a)是双层分形树状通道网络结构的换热器芯体的结构示意图，图3(b)是图3(a)的效果图；

图中：11、热流体钢板，12、热流体入口，13、热流体出口，14、冷流体钢板，15、冷流体入口，16、冷流体出口；

图4是图3中换热器芯体内双层热流体换热板上热流体通道网络的结构示意图，其中：图3(a)是双层热流体换热板上三维分形树状结构的热流体通道网络的结构示意图，图3(b)是图3(a)的效果图；

图中：12、热流体入口，13、热流体出口，17、上层三维分形树状结构的热流体通道网络，18、下层三维分形树状结构的热流体通道网络。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

如图1所示，分形通道印刷电路板换热器，包括进口封头、换热器芯体1和出口封头，进口封头和出口风头出分别与换热器芯体紧固连接，进口封头内布置流体分布器3，出口封头内布置流体收集器6，进口封头采用分布器3与换热器芯体1换热板的换热流体进口通道连接，出口封头采用收集器6与换热器芯体1换热板的换热流体通道出口连接，分布器3上设置有冷流体入口2和热流体入口4，收集器6上设置有冷流体出口5和热流体出口7。分布器3和收集器6内换热流体通道呈三维分形树状结构的通道网络，与换热器芯体内换热流体通道的进、出口匹配，用于均匀分配和收集换热器芯体1上微通道束进出的换热流体。

如图2(a)所示，分布器3和收集器6由若干块布置各级换热流体通道金属板层叠扩散焊接一起构成；本实施例中金属板采用钢板，每一层金属板31上布置的换热流体通道32，呈由主干到分支逐级分散的三维分形树状结构；如图2(b)和图2(c)所示，所示，连接冷流体入口2的双层金属板31结构的分布器3，上一层金属板31上的三维分形树状结构的换热流体通道第一级通道301连接冷流体入口2，第一级通道301在上层金属板31的二维平面分叉为两支下级通道即第二级通道302，第二级通道302上层金属板31的二维平面分叉为两支下级通道即第三级通道303，第三级通道303垂直向下层金属板31分叉为两支下级通道即下层金属板31的第一级通道304，下层金属板31的第一级通道304垂直向下穿过下层金属板底部，形成多个第四级通道出口305即冷流体流出口，分别与换热芯体2上冷流体换热板的冷流体入口连接。三维分形树状结构的通道网络在金属板31上刻蚀形成。

换热器芯体1内换热流体通道呈三维分形树状结构的通道网络，且热流体与冷流体流动方向呈十字交错流通。如图3所示，本实施例优选双层分形树状通道网络结构的换热器芯体，在层叠的四块换热板1上构建冷、热换热板各双层的换热芯体，换热板1采用钢板，换热器芯体1结构形式采用扩散焊接一起的三明治结构形式，冷流体钢板14、热流体钢板11相间叠加，热流体钢板11和冷流体钢板14上的换热流体通道为二维矩形通道树状网络结构，二维分形树状结构通道网络通过在换热板上刻蚀形成。

如图4所示，双层结构的热流体钢板11上，连接热流体入口12的第一级通道末端分叉为两支下级通道即第二级通道，第二级通道末端继续分叉为两支下级通道即三级通道，如此分叉至末级通道，形成上层三维分形树状结构的热流体通道网络17，在末级通道末端通过贯穿相邻冷流体钢板14通道，与下层的热流体钢板11上的二维矩形通道树状网络结构的换热流体通道末级通道连通，下层三维分形树状结构的热流体通道网络18结构与上层三维分形树状结构的热流体通道网络17相同。热流体通过热流体入口12流入上层热流体钢板11上二维分形树状结构通道的第一级通道入口，在分支末级通道末端流经间隔的冷流体钢板14后，再流入相邻热流体钢板14上二维分形树状结构通道的末级通道，最后逐级汇集到第一级通道，然后从热流体出口13流出进入到收集器6中，然后经收集器6上的热流体出口7流出换热器。

冷流体以相同方式与热流体流动方向十字交错流通方向流入上层冷流体钢板14第一级通道入口，与热流体进行热量交换。

所述的换热器芯体1内，能够设置多个冷、热流体流动方向呈十字交错流通的三维分形树状结构的通道网络单元。

本发明构建的新型PCHE与传统的蛇形通道的换热器相比，其换热阻力比传统的蛇形换热器减小30％以上，流动压降减50％以上，换热效率是蛇形换热器的2倍。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.分形通道印刷电路板换热器，包括进口封头、换热器芯体和出口封头，进口封头和出口风头出分别与换热器芯体紧固连接，进口封头内布置流体分布器，出口封头内布置流体收集器，进口封头采用分布器与换热器芯体换热板的换热流体进口通道连接，出口封头采用收集器与换热器芯体换热板的换热流体通道出口连接，其特征在于，分布器和收集器内换热流体通道呈三维分形树状结构的通道网络，与换热器芯体内换热流体通道的进、出口匹配，用于均匀分配和收集换热器芯体上微通道束进出的换热流体；

所述的分布器和收集器由若干块布置各级换热流体通道金属板层叠扩散焊接一起构成；每一层金属板上布置的换热流体通道，呈由主干到分支逐级分散的三维分形树状结构；多层金属板由上至下，上一层金属板上的三维分形树状结构的换热流体通道分支末级通道，与下一层金属板上的三维分形树状结构的换热流体通道起始级即第一级通道贯通，在分布器和收集器内形成逐层扩散的分形树状结构通道网络；

所述的三维分形树状结构的通道网络在金属板上刻蚀形成。

2.根据权利要求1所述的分形通道印刷电路板换热器，其特征在于，所述的换热器芯体内换热流体通道呈三维分形树状结构的通道网络，且热流体与冷流体流动方向呈十字交错流通。

3.根据权利要求2所述的分形通道印刷电路板换热器，其特征在于，所述的构成换热芯体的各个换热板上的换热流体通道呈二维分形树状结构。

4.根据权利要求3所述的分形通道印刷电路板换热器，其特征在于，所述的二维分形树状结构通道通过在换热板上刻蚀形成。

5.根据权利要求1～4任一项所述的分形通道印刷电路板换热器，其特征在于，所述的换热器芯体结构形式采用扩散焊接一起的三明治结构形式，冷流体换热板、热流体换热板相间叠加，相邻热流体换热板上二维分形树状结构通道的末级换热流体通道，贯穿中间冷换热板通道连通，相邻两块冷换热板上二维分形树状结构通道的末级换热流体通道以同样方式构成末级通道连通，且热流体与冷流体流动方向呈十字交错流通。

6.根据权利要求5所述的分形通道印刷电路板换热器，其特征在于，在层叠的四块换热板上构建冷、热换热板各双层的换热芯体，所述换热板上的换热流体通道为二维矩形通道树状网络结构，换热板第一级通道末端分叉为两支下级通道即第二级通道，第二级通道末端继续分叉为两支下级通道即三级通道，如此分叉至末级通道，在末级通道末端通过贯穿相邻不同属性换热板的通道，与同属性换热板上的二维矩形通道树状网络结构的换热流体通道末级通道连通，构成一个双层分形树状通道网络结构的换热器芯体。

7.根据权利要求1或2所述的分形通道印刷电路板换热器，其特征在于，所述的换热器芯体内，能够设置多个冷、热流体流动方向呈十字交错流通的三维分形树状结构的通道网络单元。